LABORATORIUM URZĄDZEŃ I UKŁADÓW AUTOMATYKI

INSTYTUT INFORMATYKI, AUTOMATYKI I ROBOTYKI POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ I-6 LABORATORIUM URZĄDZEŃ I UKŁADÓW AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 7 REGULACJA DWUSTAWNA I TRÓJSTAWNA

sr.2 1.Cel ćwiczenia Cele ćwiczenia jes badanie właściwości układów regulacji dwusawnej i rójsawnej o róŝnych algoryach działania oraz nabycie uiejęności doboru paraerów regulaora w akich układach. 2. Zakres ćwiczenia. Badane będą układy regulacji z regulaore RE10 i RE11 produkowanyi przez LUMEL (Zielona Góra). Realizowane będą układy regulacji eperaury. Progra ćwiczenia zawiera : zapoznanie się z obsługą i oŝliwościai prograu IBM-RE11.ee, konfigurowanie regulaora RE11 do realizacji róŝnych algoryów regulacji dwu- i rójsawnej, realizacja układów sabilizacji eperaury, dobór paraerów regulaora, analizę orzyanych przebiegów warości ierzonych na obiekcie, realizacja układów prograowego serowania eperaurą. 3. Opis przebiegu ćwiczenia. Układy regulacji eperaury naleŝą do najczęściej spoykanych w auoayce przeysłowej. Najsarszyi i najprosszyi regulaorai są regulaory dwusawne (włącz - wyłącz). Wraz z posępe w echnologii urządzeń elekronicznych zosały one wzbogacone o dynaiczne przysawki korekcyjne. Zaleą ych regulaorów były niŝsze w porównaniu z regulaorai ciągłyi koszy wywarzania oraz oŝliwość wykorzysania w układach wykonawczych prosych eleenów dwusanowych np. syczników. Pierwsza z ych zale właściwie przesała isnieć z chwilą zasosowania w urządzeniach auoayki ikroprocesorów i ikrokonrolerów. Realizacje regulaorów dwusawnych w nowych wykonaniach ikroprocesorowych składają się z bloku regulaora ciągłego PID oraz przewornika sygnału wyjściowego na przebieg prosokąny o zadany okresie i zienny wypełnieniu. Z drugiej srony posęp echnologiczny nie oinął eŝ układów wykonawczych. Szeroko dosępne są serowniki ocy o dobrych paraerach echnicznych, ogące pracować zarówno jako półprzewodnikowe syczniki, jak i z ciągłą zianą ocy dosarczanej do odbiornika w funkcji analogowego sygnału serującego. Ty say projekan a zwiększone oŝliwości wyboru sosowanego w układzie regulacji regulaora. 3.1. Progra IBM-RE11.ee. Progra IBM-RE11.ee dołączany jes przez producena do regulaora i słuŝy usprawnieniu procesu konfigurowania regulaora. W syseie złoŝony z kopuera i połączonego z ni regulaora (lub większej ilości regulaorów) wyiana inforacji odbywa się przez ransisję szeregową w sandardzie RS485 lub RS232C. Kopuer pełni rolę urządzenia zarządzającego (MASTER), zaś regulaory urządzeń podporządkowanych (SLAVE). W sieci zgodnie ze sandarde RS485 oŝe pracować do 32 urządzeń. 3.1.1. Uruchoienie prograu. Uruchoienie prograu powoduje pojawienie się kounikau: Counicaions Sofware Conroller RE11 1992 Ener address of uni o access (1-32)

sr.3 z Ŝądanie podania adresu regulaora, z kóry a być nawiązana łączność. JeŜeli kounikacja isnieje, ale brak urządzenia o podany adresie pojawia się kounika wrong conroller address progra oczekuje na właściwy adres.. JeŜeli są probley z ransisją pojawia się inforacja: no connecion i ponowione zosaje pyanie o adres regulaora. Po poprawny nawiązaniu łączności progra sprawdza uprawnienia uŝykownika do wprowadzenia zian paraerów regulaora:. securiy code, please (0-9999) JeŜeli kod bezpieczeñswa podany zosanie prawidłowo uŝykownik oŝe wprowadzać ziany, jeŝeli uŝykownikowi nie jes znany kod, oŝe korzysać z prograu, ale nie a oŝliwości wprowadzania zian. Nasępnie na ekranie oniora pojawia się inforacja o nuerach regulaorów, kórych praca oŝe być rejesrowana. Wybór regulaora powoduje pojawienie się lisy głównych koend prograu: (H) Help (N) Nework (A) Address (V) View (D) Display (S) Show (C) Chage (P) Prin (START) Sar (STOP) Sop (RETURN) Reurn 1 > wraz ze znakie zaproszenia do podania koendy. Skuki podania koendy są nasępujące: - (H) Help - pojawia się idenyczna jak powyŝej lisa koend, -(N) Nework - wyświela inforację o nuerach regulaorów pracujących w sieci i pozwala dołączać inne regulaory w celu rejesracji ich pracy Change conroller nubers in nework RED - connec WHITE - disconnec 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 END ->ne <- prev ENTER connec/disconnec ESC ei Liczby 1...32 oznaczają nuery regulaorów. Nuery czerwone oznaczają regulaory, kórych praca będzie rejesrowana. Srzałkai oŝna wybrać adres regulaora i klawisze ENTER dołączenie go do sieci. JeŜeli kopuerowi nie uda się nawiązać z y regulaore łączności pojawi się kounika: No connecion wih conroller #, gdzie #-nuer regulaora. Wybranie kursore okienka z napise END oraz wciśnięcie klawisza ENTER kończy proces konfigurowania sieci. Dane doyczące wybranych regulaorów, co pięć sekund będą dopisywane do oddzielnych dla kaŝdego regulaora plików o nazwie CURV##.DAT - gdzie ## adres regulaora. -(A) Address - pozwala nawiązać łączność z dowolny regulaore pracujący w syseie,

sr.4 -(D) Display - wyświelane są bieŝące warości oparaerów procesu regulacji. Naciśnięcie dowolnego klawisza przerywa wyświelanie i progra przechodzi w san oczekiwania na nową koendę. -(S) Show - na ekranie pojawia się lisa zadanych paraerów regulaora oraz inforacji o procesie regulacji. Wybranie jednej z opcji powoduje pojawienie się odpowiedniej inforacji zgodnie z abelą 7.1. Koenda SL SO SS SM SB SD SR SK SU SA SE Tabela 7.1 Paraery wyświelane wskuek działania koendy Show. Treść kounikau na ekranie oniora Warość graniczna zakresu pracy regulaora (SPL) Ilość wyjść poocniczych i yp wyjść (binarne lub jeden z pięciu rodzajów alaru) Inforacja o ypie warości zadanej. Dla regulacji sałowarościowej - akŝe warość zadana. Dla regulacji prograowej - warości na końcach odcinków, czas rwania odcinków, sany wyjść binarnych, blokada oraz liczba cykli prograu) Zadana prędkość serowania ręcznego ( sała - consans lub zienna - variable) San wyjść zdefiniowanych jako binarne (załączone - ON, wyłączone - OFF) Prędkość ransisji danych z kopuera do regulaora Warości paraerów regulacji Reakcja regulaora po powrocie zasilania (on - regulaor konunuuje pracę, off -STOP) Typ bieŝącego algoryu regulacji (ciągła, dwusawna, rójsawna, rójsawna krokowa) Zadeklarowane warości alarów, wskaŝnik paięania kaŝdego alaru (ON,OFF) oraz hisereza dla załączania alaru Wszyskie z powyŝszych reści po koleii -(C) Change - na ekranie pojawia się lisa paraerów regulaora, kóre ogą być zieniane (abela 7.2). Jeśli operaor poda właściwy kod bezpieczeñswa, wybierze paraery do zian i poda nowe ich warości ( z zakresu warości dopuszczalnych) o zosaną one zapaięane i przesłane do regulaora. Koenda CL CO CS CM CB CD CR CC CK CU CA Tabela 7.2 Paraery zieniane koendą Change. Paraer Warość graniczna zakresu pracy regulaora (SPL) Konfiguracja wyjść Typ warości zadanej Prędkość serowania ręcznego ( sała - consans lub zienna - variable) San wyjść zdefiniowanych jako binarne (załączone - ON, wyłączone - OFF) Prędkość ransisji danych z kopuera do regulaora Warości paraerów regulacji: - współczynnik proporcjonalności, I - czas całkowania, D- czas róŝniczkowania, P - czas próbkowania, O - okres ipulsowania, H - szerokość pęli hiserezy, Yd - przesunięcie warośći zadanej oru drugiego względe oru pierwszego A - sposób działania (prosy lub odwrony) Wyjście z funkcji ziany sanu paraerów regulacji klawisze ESC Kod bezpieczeńswa Reakcja regulaora po powrocie zasilania (on - regulaor konunuuje pracę, off -STOP) Typ bieŝącego algoryu regulacji (dwusawna, rójsawna, rójsawna krokowa) Warości alarów, wskaŝniki paięania kaŝdego alaru (ON,OFF) oraz hisereza dla załączania alaru

sr.5 -(P) Prin - drukowanie paraerów regulaora. -(START) Sar - uruchaianie procesu regulacji. -(STOP) Sop - zarzyywanie procesu regulacji. -(RETURN) Reurn - rozpoczęcie prograu zian warośći zadanej od począku (dla regulacji prograowej) -(V) View - na ekranie pojawia się graficzny obraz procesu regulacji. U dołu ekranu pojawia się enu z dosępnyi funkcjai: Klawisz Opis Funkcja F1 Reurn Rozpoczęcie prograu zian warości zadanej od począku (dla regulacji prograowej) F2 Sar Uruchaianie procesu regulacji F3 Sop Zarzyywanie procesu regulacji F4 Clear Kasowanie doychczasowej hisorii regulacji F5 Prin Kopiowanie obrazu ekranu oniora na drukarkę ESC Qui Wyjście do enu Jeśli porzebny jes dokładniejszy przebieg zian warości ierzonej naleŝy wykorzysać progra RE11-dis.ee drukujący wykresy na podsawie plików CURV##.DAT. 3.2. Układ regulacji dwusawnej NaleŜy zonować układ regulacji jak na rys.7.1 (a lub b, wg zaleceń prowadzącego). Usawić paraery przewornika PPS-01: czujnik P100, eperaura inialna 20 0 C, eperaura aksyalna 200 0 C, prąd wyjściowy 4. 20 A. Uruchoić progra IBM-RE11.ee i wprowadzić adres regulaora = 1. Pojawi się pyanie o kod bezpieczeńswa. NaleŜy wprowadzić 0000. Po powierdzenie pojawia się oŝliwość dołączenia regulaora do sieci. Rezygnuje się z niej usawiając kursor na polu END i wciskając klawisz ENTER. Z enu wybierać naleŝy koendę Change i wprowadzić: - warość graniczną zakresu pracy regulaora = 200 C, - yp regulacji = 0 - regulacja dwusawna, - warość zadaną ( 0 - sałowarościowa, 100 - eperaura zadana), - paraery regulaora p = 0, H = 5%, Tp = 1sek, - sposób działania regulaora (1 - inwersyjny) Po wyjściu klawisze ESC naleŝy wybrać SE i sprawdzić, czy paraery regulaora są usawione prawidłowo. Jeśli ak, o wybrać naleŝy koendę View. Po pojawieniu się obrazu z wykrese przebiegu regulacji naleŝy rozpocząć rejesrację od począku (klawisz F4) oraz wysarować proces regulacji (klawisz F2). Na ekranie pojawi się warość zadana (linia zielona) i zienna procesowa (linia Ŝóła). Czas obserwacji przebiegu określi osoba prowadząca zajęcia.

sr.6 P100 III RE11 WB II ZADAJNIK 4.20 A 0 - I 1 2 - PRZEKAŹNIK PÓŁPRZEWODNIKOWY RI5 Obc. 220V ~ Zasilacz 24V = 220V,50Hz 24V= P100 P100 PRZETWORNI K PPS-01 STEROWNIK GE-FANUC (Progra rejesraor) PC DRUKARKA

sr.7 Rys. 7.1a. Schea układu regulacji eperaury z regulaore RE11 i przekaźnikie półprzewodnikowy RI5. Nasępnie naleŝy: - zniejszyć warość hiserezy na 0,1% i zaobserwować wpływ pęli hiserezy na warość apliudy oscylacji usalonych wokół warości zadanej, - usawić p = 20%, Ti = 600 sek, Td = 150 sek, Tp = 1 sek, To = 5 sek i zaobserwować przebiegi regulacji. - na podsawie charakerysyk dynaicznych pieca dosarczonych przez prowadzącego dokonać doboru nasaw regulaora wg opisu podanego w insrukcji obsługi regulaora. - uruchoić układ z wyznaczonyi nasawai i porównać przebieg regulacji z przebiegai uzyskanyi poprzednio na podsawie wydruku wykresów z pliku CURV01.da. Badanie układu regulacji w sposób opisany poprzednio pozwala na porównanie przebiegów procesów regulacji dla róŝnych algoryów w sanie usalony. Badanie przebiegów przejściowych (odpowiedzi na skokowe ziany uchybu regulacji) wyagałoby ziany warości zadanej dla kaŝdego algoryu. Zaproponowany okres ipulsowania jes oŝliwy ylko w układach z elekroniczny serowanie ocą dosarczaną do pieca. Układy ze sycznikai nie powinny pracować z przełączanie częsszy niŝ co 30 sek, ze względu na szybkość zuŝywania się syczników. Podobnie szkodliwe dla sycznika oŝe być sosowanie zby wąskiej pęli hiserezy przy ałej bezwładności. 3.3 Regulacja rójpołoŝeniowa. Nie zieniając układu z rys. 7.1 naleŝy zienić yp algoryu regulacji na rójsawny (2 - hreesae), zienić warość zadaną na 110 C oraz paraery regulaora: p2 = 0 a nasępnie p1 = 0, H1 = H2 = 5%, Tp = 1 sek, Yd = 5%. Koendą View naleŝy przejść do obserwacji przebiegów procesu regulacji przez czas podany przez osobę prowadzącą. Nasępnie naleŝy: - zniejszyć warość hiserezy na 0,1% i zaobserwować wpływ pęli hiserezy na warość apliudy oscylacji usalonych wokół warości zadanej, Uwaga:Wszyskie paraery podawane w % ( np. hisereza, nasawy alarów ) odnoszą się do zakresu SPL (dolna granica zakresu regulaora SPL). - usawić p1 = p2 = 20%, Ti1 = Ti2 = 600 sek, Td1 = Td2 = 150 sek, Tp = 1 sek, To = 5 sek, Yd = 5% i zaobserwować przebiegi regulacji. - na podsawie charakerysyk dynaicznych pieca dosarczonych przez prowadzącego dokonać doboru nasaw regulaora wg opisu podanego w insrukcji obsługi regulaora. - uruchoić układ z wyznaczonyi nasawai i porównać przebieg regulacji z przebiegai uzyskanyi poprzednio na podsawie wydruku wykresów z pliku CURV01.da.

sr.8 - uruchoić układ regulacji prograowej. W y celu naleŝy przy poocy koendy CS zienić yp warości zadanej na prograową (1 = prog) i zadać przebieg jak na rys. 7.2. P100 III RE11 WB II ZADAJNIK 4.20 A 0 - WE I 3 15 RI3 U ~ 0.5V I ~ Zasilacz 24V = 4 10 Obc. 220V ~ 220V,50Hz 24V= P100 P100 PRZETWORNI K PPS-01 STEROWNIK GE-FANUC (Progra rejesraor) PC DRUKARKA

sr.9 Rys. 7.1b. Schea układu regulacji eperaury z regulaore RE11 i serownikie ocy RI3. 0 C 120 115 110 I II 0 5 10 [in] Rys. 7.2. Przebieg sygnału warości zadanej dla regulacji prograowej W y celu naleŝy usawić blockade = 0, nuber of cycle = 1, ie uni =1, SEGMENT NR 0 begin value = 110, even oupu (evy30) = 0, SEGMENT NR 1 end value = 120, even oupu (evy30) = 0, ie (inues) = 5, ie (secondes) = 0, SEGMENT NR 2 end value = 115, even oupu (evy30) = 0, ie (inues) = 5, ie (secondes) = 0, SEGMENT NR 3 end value = Ener, even oupu (evy30) = 0, ie (inues) = 0, ie (secondes) = 0. Koendą View naleŝy przejść do obserwacji przebiegów procesu regulacji prograowej. 3.4.Regulacja dwusawna z regulaore RE 10. Zonować układ regulacji zgodnie z rys.7.3. Na podsawie odpowiedzi skokowej wyliczyć współczynnik wzocnienia i paraery dynaiczne regulaora. Pozosałe paraery usawić ak jak fabryczne. Włączyć regulację i na podsawie orzyanych przebiegów dokonać koreky nasaw ak aby orzyać najlepszy przebieg regulacji. Zakłócenie w układzie regulacji oŝna wprowadzić włączając wenylaor. Paraery przewornika PPS-01 usawić jak w w pk. 3.2. Uwaga: Obieky regulowany jes y rudniejszy do regulowania, i niejszy jes sosunek sałej czasowej do czasu opóźnienia. Obieky regulacji, kóre ają T/T o 10 są ławe do regulowania. Obieky w kórych: T/T o 7 są rudne do regulowania T/T o 5 są bardzo rudne do regulowania T/T o 3 uwaŝane są za nieoŝliwe do regulowania T - sała czasowa obieku regulacji, T o - czas opóźnienia obieku regulacji.

sr.10 3.5. Dobór nasaw paraerów regulaora. Wybór ypu regulaora i dobór jego nasaw zaleŝy od wyagań sawianych procesowi echnologiczneu oraz od właściwości saycznych i dynaicznych obieku regulacji. W przypadku regulacji sałowarościowej Ŝąda się najczęściej: oŝliwie ałego przeregulowania, krókiego czasu usalania się przebiegu przejściowego, ałego błędu usalonego ( e us.in. ). Dobór właściwego algoryu regulaora ( P, PI PID ) zaleŝy od ypu obieku. Przy doborze oŝna się kierować zaleceniai podanyi w abeli 7.3. Tabela 7.3. Zalecane algoryy działania regulaora zaleŝne od ypu obieku. Obiek regulacji Algory regulaora P PI PD PID czyse opóźnienie opóźnienie z inercją I rzędu e us. inercja wyŝszych rzędów e us. asayczny z opóźnienie Rs. Kz. Rs. Kz. Rs -regulacja sabilizacyjna, Kz - kopensacja zakłóceń, e us. - odchyłka sayczna. Paraery sayczne i dynaiczne obieku określa się najczęściej doświadczalnie na przykład z odpowiedzi skokowej. Odpowiedź skokowa powinna być badana w pobliŝu punku pracy. Wszelkie odsępswa od ego prowadzą do wyników obarczonych znacznyi błędai. Dzieje się ak dlaego, Ŝe większość obieków jes w rzeczywisości nieliniowa lub posiada niesacjonarne własności dynaiczne i sąd precyzyjne wyliczanie paraerów ransiancji (co zakłada liniowość obieku) nie daje zadawalających wyników. Wyliczenia e są jednak konieczne aby wsępnie oŝna było dokonać nasaw regulaora. Korekę nasaw wykonuje się zwykle podczas prac uruchoieniowych układu regulacji. Wielkość zadanego skoku sygnału serującego obiek w ych badaniach wynosi zwykle 20%. Zianę aką wykonuje się na przykład zieniając sygnał wejściowy

sr.11 z poziou 10% na 30% i po usaleniu się przebiegu wyjściowego z powroe z 30% na 10%. Orzyany przebieg odpowiedzi pokazuje rys.7.3. y 30% 10% Y T o1 T 1 T o2 T 2 y T o T z T - wielkość regulowana, - wielkość serująca, - ziana wielkości regulowanej odpowiadająca zianie Y wielkości serującej - opóźnienie, - opóźnienie zasępcze: To1 To2 Tz = 2 - sała czasowa zasępcza: T 1 T T 2 = 2 Ko - współczynnik wzocnienia obieku: Ko= Y Dla prakycznych zasosowań ogą być przydane zaleŝności na obliczanie nasaw paraerów dynaicznych regulaorów podane w abeli 7.4.

sr.12 Tabela 7.4. Nasawy regulaorów dla obieków saycznych. Regulaor p T i T d P T Ko T z Y 100% PI Tz Y 1.25 Ko 100% T 3T z PD Tz Y 0.83 Ko 100% T 0.25-0.5 T z PID Tz Y 0.83 Ko 100% 2T z 0.42 T z T Y - zakres zian wielkości serującej ( zwykle 100%), - zakres regulaora ( warość SPL ). Doświadczalny dobór nasaw uławia abela 7.5.. Podano a sposób korygowania nasaw regulaora przy nieprawidłowych przebiegach wielkości regulowanej. Znak: zaleca zwiększenie warości danego paraeru. Znak: zaleca zniejszenie warości danego paraeru. PołoŜenie ikroprzełączników w serowniku RI3 dla rybu pracy "włącz - wyłącz" ( do rysunku 7.1b i 7.4) : 1 2 3 4 5 6 7 8 OFF ON OFF OFF ON OFF ON OFF

sr.13 Tabela 7.5. Zalecane kierunki zian paraerów regulaora w zaleŝności od przebiegu wielkości regulowanej. Przebieg wielkości regulowanej Algory działania regulaora P PD PI PID P P T D P P T D P P T D P T I P T D T I P T D P T D T I e us. P P T I P T I

sr.14 P100 RE10 II I WE 3 15 RI3 U ~ 0.5V I ~ Zasilacz 24V = 4 10 Obc. 220V ~ 220V,50Hz 24V= P100 P100 PRZETWORNI K PPS-01 STEROWNIK GE-FANUC (Progra rejesraor) PC DRUKARKA Rys. 7.4. Regulacja dwusawna z regulaore RE10 i serownikie RI3.

sr.15 4. Zadania do wykonania. 1. Zrealizować układy regulacji jak na rys. 7.1. i 7.3. 2. Zapoznać się z obsługą prograu IBM-RE11.ee. 3. Badanie układu regulacji sałowarościowej, dwupołoŝeniowej ( punk.3.2 lub 3.4.) 4. Badanie układu regulacji sałowarościowej, rójpołoŝeniowej. 5. Realizacja układu regulacji prograowej, rójpołoŝeniowej. Uwaga! Zadania 3-5 realizować z paraerai podanyi przez osobę prowadzącą. 5. Wykaz aparaury i urzadzeń. 1. Mikroprocesorowy regulaor RE11. 2. Mikroprocesorowy regulaor RE10. 3.Zadajnik prądowy ANS 311. 4. Serownik ocy RI3 (lub łącznik półprzewodnikowy RI5). 5. Piec z wenylaore. 6. Zasilacz 24 V = 7. Serownik GE-FANUC i zesaw kopuerowy z drukarką. 6. Pyania i zadania konrolne: 1. Nasawy regulaorów dwu- i rójsawnych. 2. Meody oceny jakości procesu regulacji. 3. Wpływ paraerów regulaora na jakość regulacji. 4. Wpływ własności dynaicznych obieku na wybór algoryu działania regulaora. 5. Wpływ sosunku sałej czasowej obieku do jego czasu opóźnienia na przebieg procesu regulacji. Opracowanie: gr inŝ. Jan Kliesz, dr inŝ. Włodziierz Solnik, dr inŝ. Zbigniew Zajda Wrocław dnia 28.09.2005r.